98
ANALISIS SIFAT OPTIS LAPISAN TIPIS TiO
2:N UNTUK
FOTODEGRADASI DIRECT BLUE 71
Yunita Indriyani, Heri Sutanto dan Iis NurhasanahFakultas Sains dan Matematika, Jurusan Fisika, Universitas Diponegoro, Jl. Prof. H. Soedarto, S.H. Semarang; Telp.024-76480822. Email: nurhasanah@fisika.undip.ac.id
Abstrak
Lapisan tipis TiO2:N telah dideposisikan di atas substrat kaca menggunakan metode sol-gel spray coating. TiO2 telah banyak diaplikasikan sebagai fotokatalis untuk fotodegradasi polutan organik. Celah energi TiO2 (~3,2 eV) membatasi aktivitas fotodegradasinya hanya pada rentang panjang gelombang UV. Cahaya matahari yang tersedia melimpah, sebagian besar berupa cahaya tampak dan sebagian kecil cahaya UV. Penggunaan cahaya matahari untuk fotodegradasi memerlukan fotokatalis dengan celah energi < 3.0 eV. Pada penelitian ini, nitrogen digunakan sebagai dopan untuk memperkecil celah energi TiO2, sehingga TiO2 dapat bekerja aktif untuk fotodegradasi menggunakan sinar matahari. Titanium (IV) isopropoxide digunakan sebagai sumber Ti dan urea sebagai sumber nitrogen pada larutan prekursor TiO2:N. TiO2:N dideposisikan di atas hotplate pada temperatur 450°C. Sifat optis, struktur kristal dan morfologi permukaan TiO2:N berturut-turut diuji menggunakan spektrofotometer UV-Vis, XRD, dan SEM. Keberadaan nitrogen dalam TiO2:N dianalisis menggunakan EDX. Kemampuan fotokatalitik TiO2:N diuji untuk fotodegradasi pewarna DB 71 dengan konsentrasi 10 ppm di bawah radiasi sinar matahari dan lampu UV C selama 3 jam. Spektrum absorbansi yang tinggi teramati pada rentang panjang gelombang 284 – 354 nm yang menunjukkan TiO2:N menyerap cahaya UV lebih baik daripada menyerap cahaya tampak. Celah energi TiO2:N yaitu 2,84 eV bersesuaian dengan celah energi TiO2 struktur rutile dan jenis doping N interstisial. Hal itu diperkuat dengan pola XRD yang menunjukkan puncak-puncak dominan bidang TiO2 rutile (200), (210), (221), (321) dan satu puncak brookite (032). Fotodegradasi DB 71 menggunakan TiO2:N lebih efektif dibandingkan dengan TiO2 murni.
Kata kunci: Direct Blue 71, Fotodegradasi, Lapisan tipis, TiO2:N Abstract
N-Doped TiO2 thin film has been deposited on glass substrate by sol gel spray coating method. TiO2 applications have been reported in many fields
such as pollutant organic photodegradation. The energy gap of TiO2 (~3,2 eV) caused that photodegradation activity limited only under UV
wavelength, while visible light from solar energy available abundantly. In this research, nitrogen was used as dopant to decrease the energy gap of TiO2 so it could work actively under visible light wavelength. Titanium (IV) isopropoxide was used as Ti source and urea was used as nitrogen
source for preparation of N-doped TiO2 precursor solution. N-doped TiO2 wasdeposited on hotplate at temperature of 450°C. Optical properties,
cystalline structure and surface morphology of N-doped TiO2 were examined by spectrophotometer UV-Vis, XRD, and SEM, respectively.
Nitrogen existence in the N-doped TiO2 was analyzed by EDX. Photocatalytic abililty of N-doped TiO2 wasevaluated for photodegradation of
DB 71 dye with concentration of 10 ppm under solar energy irradiation and UV C light for 3 hours. The highest absorbance spectrum was found at wavelength from 284 to 354 nm. It indicates strong UV light absorption. The energy gap of N-doped TiO2 is 2.84 eV, refers to energy gap of TiO2 rutile with interstitial doping N. This result agreement to XRD pattern that showed dominant peaks of TiO2 rutile plane of (200), (210),
(221), (321) and one brookite’s peak (032). Photodegradation of DB 71 using N-Doped TiO2 is more effective than pure TiO2 under both solar
light and UV C light irradiation.
Keywords : Direct Blue 71, N-Doped TiO2, Photodegradation, Thin film
1. PENDAHULUAN
Perkembangan pesat ilmu pengetahuan dan teknologi mendorong pertumbuhan berbagai sektor industri di Indonesia. Salah satunya, yaitu: industri tekstil yang menghasilkan limbah cair pewarna yang sulit untuk didegradasi secara alami (non biodegradable). Beberapa metode yang dapat digunakan untuk mendegradasi limbah cair pewarna, antara lain: adsorbsi dan koagulasi, AOP (Advanced Oxidation Processes) yang melibatkan pereaksi UV/H2O2, UV/Fenton’s sebagai zat pengoksidasi dan melalui proses fotodegradasi. menyebutkan material semikonduktor yang dapat digunakan untuk proses fotodegradasi, antara lain: TiO2, ZnO, CdS, WO3, dll (Carp dkk., 2004). TiO2
banyak dimanfaatkan dalam proses fotodegradasi karena memiliki kestabilan termal dan kimia yang tinggi, tidak beracun dan relatif murah (Nakata dan Fujishima, 2012). TiO2 memiliki tiga struktur kristal dengan celah energi berbeda-beda, yaitu: anatase (~3,2 eV untuk celah energi tak langsung), rutile (~3,0 eV untuk langsung dan ~3,1 untuk tak langsung) dan
brookite (~3,1 untuk langsung dan ~3,4 eV untuk tak
langsung). Namun, celah energi TiO2 yang relatif lebar ~3,2 eV, membatasi aplikasi fotodegradasinya hanya pada daerah UV, sedangkan cahaya tampak yang berasal dari cahaya matahari tersedia melimpah (Anpo dan Takeuchi, 2003).
99
diketahui dapat menggeser daerah serapan TiO2 hingga cahaya tampak, karena menyebabkan penyempitan celah energi pada TiO2 (Asahi dkk., 2001). Selain itu, nitrogen dianggap sebaga dopan yang baik karena memiliki ukuran atom yang mirip oksigen, energi ionisasi kecil dan stabilitas yang baik (Chen dan Burda, 2008). Lebih jauh lagi, nitrogen dapat memperbaiki sifat optis TiO2, sehingga dapat meningkatkan kualitas lapisan tipis yang dihasilkan (Li dkk., 2009). Sumber dopan nitrogen yang biasa digunakan antara lain ammonia (NH3), gas nitrogen (N2), urea (CO(NH2)2) dan lain-lain. Urea sebagai sumber dopan memiliki beberapa kelebihan, yaitu: mudah untuk diperoleh, tidak memerlukan perlakuan khusus dan elektron-elektron pada urea lebih leluasa bergerak dari satu atom ke atom yang lain, sehingga dapat mempersempit celah energi TiO2 (Effendi dan Bilalodin, 2012). Nitrogen di dalam TiO2 dapat mengubah struktur celah energi dengan memasukkan orbital 2p nitrogen ke orbital 2p oksigen (Ghicov dkk. 2006). Penggabungan nitrogen ke dalam TiO2 terjadi dalam dua bentuk menghasilkan celah energi yang berbeda, yaitu: substitusi (~3,06 eV) dan interstisi (~2,46 eV). Doping substitusi melibatkan pergantian oksigen dengan pembentukan TiO2-xNx, sedangkan doping interstisi melibatkan penambahan N untuk kisi
TiO2 dan formasi dari TiO2Nx (Dunnil dan Parkin, 2011).
Pada penelitian ini, lapisan tipis TiO2 di-doping nitrogen (TiO2:N) dideposisikan menggunakan metode sol gel spray coating dengan urea CO(NH2)2 sebagai sumber nitrogen. Sifat optis lapisan tipis TiO2:N dianalisis dan diujikan untuk fotodegradasi pewarna Direct Blue 71 (DB 71) menggunakan cahaya matahari dan cahaya UV. Doping nitrogen menggeser ujung absorpsi ke panjang gelombang lebih besar yang menghasilkan pengecilan celah energi. Lapisan tipis TiO2:N menunjukkan aktivitas fotodegradasi lebih baik dibandingan lapisan tipis TiO2 tanpa doping.
2. METODE
2.1. Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu: Titanium (IV) isopropoxide (Ti[OCH(CH3)2]4) (Sigma Aldrich, 97%), isopropanol ((CH3)2CHOH) (Merck, 99,5%), Asam Asetat (CH3COOH) (Merck, 100%), Metanol (CH3OH) (Merck, 99,9%) dan urea (CO (NH2)2) (Merck, 99%). Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu:
Hotplate magnetic stirrer (Yellow line), spray gun
(Krisbow HS-80), kompresor (Krisbow), lampu uv c (Electronic ballast), spektrofotometer UV-Vis (Shimadzu), X-Ray Diffractometer (Shimadzu) dan
Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray
(JEOL).
2.2. Metode penelitian
Preparasi Larutan Prekursor TiO2:N
Larutan prekursor TiO2:N 0,2 M dibuat menggunakan metode sol-gel dengan perbandingan mol TTiP:urea yaitu 1:6. Larutan prekursor dibuat dengan melarutkan 3,17 ml TTiP ke dalam 9,5 ml isopropanol pada temperatur ruang kemudian diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 60 menit. 10,3 ml asam asetat ditambahkan ke dalam larutan dan diaduk kembali selama 15 menit, selanjutnya 24 ml metanol ditambahkan dan diaduk selama 15 menit. Setelah itu, 4,13 g urea sebagai sumber nitrogen dimasukkan ke dalam larutan dan proses pengadukan dilanjutkan hingga diperoleh larutan yang homogen.
Proses Deposisi Lapisan Tipis TiO2:N
Lapisan tipis TiO2:N dideposisikan di atas substrat kaca menggunakan teknik spray coating. Substrat kaca dibersihkan terlebih dahulu menggunakan metanol, aseton dan akuades. Selanjutnya, substrat kaca dikeringkan dengan cara didiamkan selama 5 menit. Substrat kaca yang telah kering diletakkan di atas hot
plate dengan suhu 4500C selama 30 menit. 35 ml larutan prekursor TiO2:N disemprotkan secara merata ke atas substrat kaca menggunakan spray gun selama ±1,5 jam dengan jarak antara substrat kaca dengan
spray gun yaitu 30 cm.
Karakterisasi Lapisan Tipis TiO2:N
Sifat optis lapisan tipis TiO2:Ndikarakterisasi
menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Celah energi lapisan tipis TiO2:N ditentukan menggunakan metode Tauc plot untuk transisi tidak langsung berdasarkan Persamaan (1).
(αhυ)1/2 = B(hυ- Eg) (1) dengan, α adalah koefisien absorpsi, hν adalah energi
foton, B adalah konstanta, dan Eg adalah celah energi
(Ilican dkk., 2007). Struktur kristal TiO2:Ndianalisis menggunakan X-Ray Difractometer (XRD). Scanning
Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX)
digunakan untuk menganalisis morfologi permukaan dan komposisi unsur lapisan tipis TiO2:N.
Pengujian Fotodegradasi Direct Blue 71
Kemampuan fotodegradasi lapisan tipis TiO2:N diujikan pada larutan DB 71 dengan konsentrasi 10 ppm. Larutan DB 71 dimasukkan ke dalam tiga wadah berukuran 9x8x5 cm dengan volume 40 mL. Satu wadah tanpa diberi lapisan tipis dan dua wadah masing-masing diberi lapisan tipis TiO2 dan TiO2:N. Cahaya matahari dan lampu UV C digunakan sebagai sumber cahaya fotodegradasi. Fotodegradasi menggunakan sumber cahaya matahari dilakukan mulai pukul 10.00-13.00 WIB, sedangkan untuk sumber lampu UV dilakukan dalam kotak tertutup dengan jarak antara wadah
100
dan lampu UV yaitu 25 cm. Larutan DB 71 diambil setiap 30 menit dari 0 menit sampai 180 menit, kemudian diukur absorbansinya menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Efisiensi fotodegradasi dihitung menggunakan Persamaan (2).
η (%) = 1− x 100 (2) dengan C0 dan Ct adalah konsentrasi awal dan
konsentrasi akhir setelah fotodegradasi larutan DB 71.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Sifat Optis Lapisan Tipis TiO2:N
Spektrum absorbansi lapisan tipis TiO2 dan TiO2:N ditunjukkan pada Gambar 1. Absorbansi yang tinggi terlihat pada rentang panjang gelombang 284 – 354 nm yang merupakan daerah UV (200 - 400 nm) dengan puncak absorbansi pada panjang gelombang 302 nm. Absorbansi lapisan tipis TiO2:N lebih besar dari lapisan tipis TiO2, mengindikasikan bahwa lapisan tipis TiO2:N mampu menyerap cahaya lebih banyak dibanding TiO2. Selain itu, terlihat ujung daerah serapan lapisan tipis TiO2 berada pada panjang gelombang 432 nm, sedangkan untuk lapisan tipis TiO2:N berada pada panjang gelombang 440 nm. Hal tersebut menunjukkan bahwa proses doping menggeser
ujung absorpsi ke panjang gelombang lebih besar.
Gambar 1. Spektrum absorbansi lapisan tipis TiO2 dan TiO2:N.
Gambar 2 menunjukkan grafik (αhυ)1/2 sebagai fungsi hυ. Ekstrapolasi linier grafik (αhυ)1/2 sebagai fungsi hυ menghasilkan perpotongan garis pada hυ yang menunjukkan celah energi 2,86 eV untuk TiO2 dan 2,84 eV untuk TiO2:N. Celah energi lapisan tipis TiO2:N lebih kecil dari celah energi lapisan tipis TiO2 mengindikasikan terjadinya proses doping N ke dalam TiO2. Celah energi sebesar 2,84 eV bersesuaian dengan tipe doping interstisi untuk TiO2 berstruktur rutile (Dunnill dan Parkin, 2011). Hal ini diperkuat
dengan analisis pola XRD lapisan tipis TiO2:N.
(a) (b)
Gambar 2. Grafik (αhυ)1/2 sebagai fungsi hυ (a) TiO2 (b) TiO2:N Pola XRD lapisan tipis TiO2:N beserta bidang
orientasinya ditunjukkan pada Gambar 3. Terlihat bahwa lapisan tipis TiO2:N memiliki empat puncak difraksi pada 2 sekitar 43,00°, 44,21°, 65,24° dan 82,53° yang menunjukkan struktur kristal rutile dengan bidang orientasi (200), (210), (221) dan (321) sesuai dengan JCPDS No 21-1276 serta 46,98° (032) yang merujuk pada struktur kristal brookite sesuai dengan JCPDS No 18-0875.
Morfologi permukaan lapisan tipis TiO2:N dapat dilihat dari citra SEM pada Gambar 4. Terlihat bahwa permukaan lapisan tipis TiO2:N didominasi dengan bulir-bulir berbentuk bola dengan diameter 0,3 sampai
1,8 m dan sisanya berbentuk kubus dengan sisi 2,1 sampai 2,4 m. Analisis komposisi atom menggunakan EDX dilakukan terutama untuk memastikan keberadaan dopan N dalam lapisan tipis TiO2:N. Tabel 1 merangkum komposisi atom lapisan tipis TiO2:N. Terlihat bahwa atom O mendominasi dengan komposisi 85,72%, sedangkan komposisi Ti sebesar 14,08%. Nilai tersebut masih jauh dengan nilai stoikiometri perbandingan atom O dan atom Ti dalam TiO2, yaitu 2 : 1. Begitu juga dengan komposisi atom nitrogen yang terkandung di dalam
101
TiO2 masih sangat rendah yaitu 0,2%. Rendahnya atom N pada lapisan tipis TiO2 dapat terjadi
dikarenakan ketika proses deposisi sebagian besar atom N terdesorpsi atau tidak melekat sempurna.
Gambar 3. Pola XRD lapisan tipis TiO2:N
Gambar 4. Citra SEM permukaan lapisan tipis TiO2:N Tabel 1. Komposisi atom lapisan tipis TiO2:N
Atom keV Mass% Error% Atom%
N 0,392 0,14 0,21 0,20
O 0,525 66,94 0,76 85,72
Ti 4,508 32,93 0,89 14,08
Fotodegradasi Pewarna Direct Blue 71
Fotodegradasi dilakukan di bawah cahaya matahari dan lampu UV C menggunakan larutan pewarna DB 71 (Direct Blue 71). Proses fotodegradasi menyebabkan pemutusan ikatan kimia larutan DB 71 dan menghasilkan CO2 dan H2O (Gustavsson dan Schuler, 2010).Pemutusan ikatan kimia larutan DB 71 terjadi semakin banyak dengan penambahan waktu proses fotodegradasi. Secara kuantitatif, efisiensi fotodegradasi larutan DB 71 dapat dilihat pada Gambar 6. Kinetika fotodegradasi larutan pewarna DB 71 menggunakan Lapisan tipis TiO2: N maupun
TiO2 murni di bawah cahaya UV C dan cahaya matahari linier terhadap lama waktu radiasi. Efisiensi fotodegradasi larutan DB 71 dengan lapisan tipis TiO2:N pada cahaya matahari adalah 33,54%, sedangkan pada lampu UV C adalah 58,13%. Hal tersebut menunjukkan bahwa fotodegradasi dengan cahaya matahari pada penelitian ini, masih kurang efektif dibandingkan dengan cahaya UV C. Fotodegradasi dengan radiasi cahaya matahari masih kurang efektif dibandingkan dengan lampu UV C. Hal tersebut dimungkinkan karena kemampuan absorpsi lapisan tipis TiO2 pada daerah cahaya tampak lebih
102
kecil dibandingkan dengan daerah sinar UV, seperti yang terlihat pada Gambar 1. Namun demikian, terlihat bahwa efisiensi fotodegradasi larutan DB 71 dengan lapisan tipis TiO2:N lebih tinggi daripada
dengan lapisan tipis TiO2, baik dalam kondisi dengan cahaya matahari maupun dengan lampu UV C. Hal ini menunjukkan bahwa proses doping meningkatkan kemampuan fotodegradasi lapisan tipis TiO2.
(a)
(b)
(b)
Gambar 6. Efisiensi fotodegradasi larutan DB 71 dibawah radiasi (a) cahaya matahari (b) lampu UV C
4. SIMPULAN
Lapisan tipis TiO2:N berhasil dideposisikan pada substrat kaca menggunakan metode sol-gel spray coating. TiO2:N memiliki celah energi sebesar 2,84 eV yang mengindikasikan bahwaN masuk ke dalam kisi TiO2 secara interstisial. Struktur kristal lapisan tipis TiO2:N tersusun oleh struktur rutile yang dominan dan struktur brookite. Efisiensi fotodegradasi dengan lapisan tipis TiO2:N sebesar 33,54% di bawah radiasi cahaya matahari dan 58,13% di bawah radiasi sinar UV C. Lapisan tipis TiO2:N lebih efektif dalam mendegradasi DB 71 dibandingkan dengan lapisan tipis TiO2.
5. DAFTAR PUSTAKA
Anpo, M., Takeuchi, M., 2003. The Design and Development of Highly Reactive Titanium Oxide Photo catalysts Operating under Visible Light Irradiation. Journal of Catalysis, 216. 505-516.
Asahi, R., Morikawa, T., Oikawa, K., Aoki, K., Taga, Y., 2001. Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen- Doped Titanium Oxides, Science, 293. 269-271. 0 10 20 30 40 50 60 0 30 60 90 120 150 180 E fis ie n si fo to d e g r a d a si (% )
Lama waktu iradiasi (menit) ▫ tanpa katalis TiO2 o TiO2:N 0 10 20 30 40 50 60 0 30 60 90 120 150 180 E fis ie n si fo to d e g r a d a si (% )
Lama waktu iradiasi (menit)
▫
tanpa katalis TiO
2
o TiO
103
Carp, O., Huisman, C.L., Reller, A., 2004. Photoinduced Reactivity of Titanium Dioxide. Progress in Solid State Chemistry. 32. 33-177.
Chen, X., Burda, C., 2008. The E lectronic Origin of The Visible-Light Absorption Properties of C-, N- and S-Doped TiO2 Materials, Journal of the American Chemical Society, 130. 5018-5019. Dunnill, C., Parkin, I.P., 2011. Nitrogen-Doped TiO2
Thin Films: Photocatalytic Applications for Healthcare Environtments, Dalton Transactions, 40. 1635-1640.
Effendi, M., Bilalodin, 2012. Analisis Sifat Optik Lapisan Tipis TiO2 Doping Nitrogen yang Disiapkan dengan Metode Spin Coating, Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY 2012, Purworejo, Indonesia.
Ghicov, A., Macak, J.M, Tsuchiya, H., Kunze, J., Haeublein, V., Frey, L., Schmuki, P., 2006. Ion Implementation and annealing for an Efficient
N-Doping of TiO2 Nanotubes, Nano Letters, 6. 1080-1082.
Gustavsson, A., Schuler, E., 2010. Solar Photocatalyt-ic Degradation of Rhodamine B by TiO2 Nano-particle Composites, Thesis, Physics of Materials and Biological Systems Radiation Physics, Uni-versity of Gothenburg, Gothenburg.
Ilican, S., Caglar, M., Caglar, Y., 2007. Determination of The Thickness and Optical Constants of Transparent Indium-doped ZnO Thin Films by The Envelope Method, Materials Science-Poland, 25. 709-718.
Li, J.L., Ma, X., Sun, M.R., Li, X., Song, Z.L., 2009. Structure and Visible Photocatalytic of Nitrogen-doped Mesoporous TiO2 Layer on Ti6A14V Substrate by Plasma-based Ion Implantation, Non ferous Metals Society of China, 19. 665-668. Nakata, K., Fujishima, A., 2012. TiO2 Photocatalysis: Design and Applications, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 13. 169-189.
